Nghiên cứu phát triển các bộ lọc siêu cao tần đa băng có khả năng điều chỉnh độc lập tần số cộng hưởng, ứng dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN TRẦN QUANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG CÓ KHẢ NĂNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘC LẬP TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG, ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã số 62 52 02 03 : TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHỊNG Người hướng dẫn khoa học: TS TẠ CHÍ HIẾU TS VŨ TUẤN ANH Phản biện 1: PGS TS ĐỖ QUỐC TRINH - HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Phản biện 2: PGS TS VŨ VĂN YÊM - ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phản biện 3: PGS TS LÊ VĨNH HÀ - VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Luận án bảo vệ Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Viện, họp Viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trước với thiết bị thông tin vô tuyến truyền thống hoạt động băng tần sử dụng lọc thơng dải có băng tần đáp ứng, với yêu cầu tích hợp nhiều cơng nghệ siêu cao tần khác thiết bị thông tin vô tuyến đặt vai trò cần thiết lọc siêu cao tần đa băng Với thiết bị vô tuyến khai thác đồng thời công nghệ WLAN tần số 2,4GHz công nghệ WiMAX tần số 3,5GHz sử dụng lọc thơng dải có hai băng tần tương ứng Ngoài ra, với phát triển liên tục công nghệ mới, công nghệ sử dụng nhiều băng tần khác Hiện nay, với thiết bị vô tuyến sử dụng công nghệ WLAN theo chuẩn 802.11n (năm 2009) theo chuẩn 802.11ac (năm 2013) khai thác đồng thời hai băng tần 2,4GHz 5GHz Trong thiết kế lọc thông dải, việc lựa chọn điều chỉnh tần số cộng hưởng băng tần đóng vai trò định Đối với lọc siêu cao tần đa băng, việc lựa chọn điều chỉnh tần số cộng hưởng băng tần định đến tính hoạt động lọc, phức tạp có nhiều băng tần khác Nhiều cơng trình lọc siêu cao tần đa băng đề xuất có tần số cộng hưởng băng tần bị phụ thuộc lẫn nhau, dẫn đến việc thiết lập điều chỉnh trình thiết kế phức tạp, gặp nhiều khó khăn Việc nghiên cứu, đề xuất phương pháp thiết kế lọc siêu cao tần đa băng có khả thiết lập, điều chỉnh tần số cộng hưởng cách độc lập cần thiết Một phương pháp thiết kế lọc siêu cao tần đa băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đa chế độ kết cấu mạch dải không đối xứng Trong cấu trúc cộng hưởng đa chế độ bản, có số cấu trúc có khả thiết lập tần số cộng hưởng không phụ thuộc lẫn Tuy nhiên cấu trúc cộng hưởng đa chế độ chưa đáp ứng khả thiết lập điều chỉnh độc lập tần số cộng hưởng cho lọc siêu cao tần ba băng, bốn băng thực tế Việc phát triển từ cấu trúc cộng hưởng để xây dựng cấu trúc cộng hưởng có khả hướng nghiên cứu hợp lý Đã có số luận án nghiên cứu sinh nước gần nghiên cứu lọc đa băng, nhiên chưa có hướng nghiên cứu tập trung khả độc lập thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng băng tần Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc cộng hưởng sử dụng thiết kế, chế tạo lọc siêu cao tần đa băng ứng dụng hệ thống thơng tin vơ tuyến có khả đơn giản, độc lập thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng băng tần Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tập trung vào cấu trúc cộng hưởng đa chế độ phát triển từ cấu trúc cộng hưởng kết cấu mạch dải khơng đối xứng có khả thiết lập tần số cộng hưởng độc lập Phương pháp nghiên cứu  Từ nghiên cứu tài liệu sở lý thuyết tài liệu tham khảo, nghiên cứu thiết kế cấu trúc cộng hưởng sử dụng thiết kế lọc siêu cao tần đa băng  Sử dụng phần mềm mô hiệu chỉnh cấu trúc đề xuất  Chế tạo sản phẩm, so sánh kết thực tế với kết mô Ý nghĩa khoa học, thực tiễn Luận án đóng góp nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết khoa học xu hướng phát triển chung lĩnh vực thông tin vô tuyến Các kết đạt luận án phù hợp với thực tiễn hoạt động khoa học nghiên cứu thiết kế, chế tạo lọc siêu cao tần đa băng kết cấu mạch dải không đối xứng, làm đơn giản hóa việc thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng trung tâm băng tần cách độc lập, giải vấn đề khó khăn phức tạp trước ảnh hưởng phụ thuộc lẫn tần số cộng hưởng trung tâm lọc siêu cao tần đa băng Bố cục luận án Bố cục luận án gồm: Mở đầu, chương kết luận  Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết đề tài Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu, nội dung, phương pháp nghiên cứu, đóng góp luận án  Chương 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG  Chương 2: XÂY DỰNG CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG THIẾT KẾ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG  Chương 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG VỚI CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG ĐỀ XUẤT  Kết luận: Những đóng góp luận án, hướng phát triển nghiên cứu Chương TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG 1.1 Tổng quan lọc siêu cao tần đa băng 1.1.1 Giới thiệu chung lọc siêu cao tần đa băng Trong hệ thống thông tin vô tuyến, lọc tần số đóng vai trò quan trọng với chức chọn lọc tần số hoạt động Đối với hệ thống thông tin vô tuyến hoạt động dải siêu cao tần, lọc siêu cao tần thu/phát khối nằm cạnh khối ăng-ten Ăng-ten Bộ lọc thu Khuếch đại cao tần Bộ trộn Bộ lọc thơng dải Xử lý tín hiệu Ngoại sai Bộ lọc phát Khuếch đại công suất Bộ lọc thông dải Bộ trộn Lọc siêu cao tần Hình 1.1 Sơ đồ khối rút gọn hệ thống thơng tin vô tuyến siêu cao tần Hiện phương pháp sử dụng kết cấu mạch dải, mạch dải không đối xứng (microstrip) xu hướng phát triển 1.1.2 Các phương pháp thiết kế lọc siêu cao tần đa băng 1) Phương pháp dựa lý thuyết thiết kế lọc kinh điển 2) Phương pháp sử dụng điểm không truyền dẫn 3) Phương pháp sử dụng cộng hưởng đa chế độ 4) Phương pháp nối tầng lọc độc lập 1.2 Tổng hợp, đánh giá khái quát nghiên cứu lọc siêu cao tần đa băng 1.2.1 Các nghiên cứu lọc siêu cao tần đa băng  Các nghiên cứu lọc hai băng  Các nghiên cứu lọc ba băng  Các nghiên cứu lọc bốn băng 1.2.2 Nhận xét chung Nhiều phương án đem lại kết ngày hoàn thiện, nhiên qua tổng hợp đánh giá số cơng trình tiêu biểu, nghiên cứu chưa tập trung vào khả thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng băng tần cách độc lập đơn giản 1.3 Hướng nghiên cứu luận án Hướng tập trung luận án nghiên cứu, đề xuất cấu trúc cộng hưởng đa chế độ có khả đơn giản độc lập thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng băng tần sử dụng thiết kế, chế tạo lọc siêu cao tần đa băng 1.4 Tiêu chí chung lọc siêu cao tần đa băng đề xuất - Các băng tần cho công nghệ: dải quy định 4G (1,8GHz), WLAN (2,4GHz, 5GHz), WiMAX (3,5GHz); dải lựa chọn từ 5GHz đến 6GHz cho WLAN WiMAX - Trong băng tần -3dB ≥100MHz, IL≤ 3dB, RL≥14dB - Rogers RO4003 εr=3,55, h=0,813mm, t=0,035mm, tanδ=0,0027 1.5 Kết luận Chương Chương trình bày tổng quan lọc siêu cao tần đa băng, phương pháp để thiết kế lọc siêu cao tần đa băng tổng hợp đánh giá khái quát qua tài liệu nghiên cứu Đề xuất hướng nghiên cứu luận án, xây dựng tiêu chí chung Chương XÂY DỰNG CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG THIẾT KẾ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG 2.1 Các cấu trúc cộng hưởng 2.1.1 Bộ cộng hưởng ½ bước sóng Z0 Zin ZL L0 Hình 2.1 Đoạn đường truyền mạch vi dải hở mạch đầu cuối Tần số cộng hưởng: f  c L0  eff 2.1.2 Bộ cộng hưởng dây chêm hở mạch LB Z2 Z1 0’ LA Hình 2.2 Cấu trúc cộng hưởng dây chêm hở mạch Tần số cộng hưởng chế độ lẻ: f o  c L A  eff , chế độ chẵn: fe  c ( LA  LB )  eff 2.1.3 Bộ cộng hưởng dây chêm ngắn mạch LB Z2 Z1 Z1 0’ LA (a) Z1 LB LA/2 LA/2 (b) (c) 2Z2 Hình 2.3 Phân tích cấu trúc dây chêm ngắn mạch theo chế độ chẵn, lẻ: (a) cấu trúc dây chêm ngắn mạch; (b) chế độ lẻ; (c) chế độ chẵn Tần số cộng hưởng chế độ lẻ: fo  c LA  eff , chế độ chẵn: 2.1.4 Bộ cộng hưởng chữ thập Tần số cộng hưởng chế độ lẻ: fo  c LA  eff fe  c 2( LA  LB )  eff Tần số cộng hưởng chế độ chẵn: f e1  c 2( LA  LB )  eff ; fe2  c ( LA  LC )  eff LB LB Zin,e Zin,o LA/2 LA/2 LC (c) (b) Z2 LA 2Z2 Z1 Z1 2Z3 LB Z1 LC 2Z2 Z1 Z3 Z1 Zin,e2 Zin,e1 LA/2 LC (e) LA/2 0’ (a) (d) 2Z3 Hình 2.4 Phân tích cấu trúc chữ thập: (a) cấu trúc chữ thập; (b) chế độ lẻ; (c) chế độ chẵn; (d) chế độ chẵn 1; (e) chế độ chẵn 2.1.5 Nhận xét chung Các cấu trúc cộng hưởng trình bày có khả độc lập việc thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng băng tần 2.2 Xây dựng cấu trúc cộng hưởng từ cấu trúc cộng hưởng thiết kế lọc siêu cao tần đa băng 2.2.1 Thiết kế lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch 0-0’ W2 d Z2 LB Z1 LA W1 Vào Ra W0 L0=λg/2 Hình 2.5 Cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch Tần số cộng hưởng đoạn mạch đường truyền ½ bước sóng: f   Tần số cộng hưởng dây chêm ngắn mạch: fo  c LA  eff ; fe  c L0  eff c 2( LA  LB )  eff Bảng 2.1 So sánh số liệu mô với số liệu tính tốn lý thuyết Tần số Tính tốn lý Kết mơ Độ dài cộng hưởng thuyết (mm) (mm) fo=2,4GHz LA 37,51 37,70 fe=1,8GHz LB 6,25 6,36 fλ=3,5GHz L0 25,72 26,01 Hình 2.6 Kết mơ giá trị /S21/ lọc thay đổi giá trị khoảng cách d 2.2.2 Thiết kế lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi 0 Z2 LB W2 Z1 LA W1 2Z3 LC Z2 LB Z2 LB Z1 LA Z1 LA Z3 LC W3 2Z3 LC W3’ 0’ (c) 0’ (b) 0’ (a) Hình 2.7 Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi: (a) Cấu trúc chữ thập bản; (b) Biến đổi đoạn dây chêm hở mạch LC thành vòng vng; (c) Di chuyển vòng vng lên Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi có ba tần số cộng hưởng: fo  c L A  eff ; f e1  c 2( LA  LB )  eff ; fe2  c ( LA  LC )  eff 11 Chương THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG VỚI CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG ĐỀ XUẤT 3.1 Cơ sở thiết kế, mô lọc siêu cao tần đa băng Bộ lọc siêu cao tần đa băng thiết kế, mô chế tạo dựa bốn cấu trúc cộng hưởng đề xuất Chương Hai cấu trúc cộng hưởng sử dụng cho thiết kế lọc siêu cao tần ba băng hai cấu trúc cộng hưởng cho lọc siêu cao tần bốn băng Các lọc thiết kế có theo tiêu chí kỹ thuật chung: - Các băng tần cho công nghệ: dải quy định 4G (1,8GHz), WLAN (2,4GHz, 5GHz), WiMAX (3,5GHz); dải lựa chọn từ 5GHz đến 6GHz cho WLAN WiMAX - Trong băng tần -3dB ≥100MHz, IL≤ 3dB, RL≥14dB - Rogers RO4003 εr=3,55, h=0,813mm, t=0,035mm, tanδ=0,0027 3.2 Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch 3.2.1 Thiết kế, mô Bộ lọc siêu cao tần ba băng thiết kế với tần số trung tâm băng tần 1,8GHz, 2,4GHz 3,5GHz Bộ lọc sử dụng cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch L9 L2 L8 L6 L3 L1 L4 L5 Vào L10 L7 S2 W0 Ra S3 S1 W1 W3 W2 Hình 3.1 Mơ hình cấu trúc lọc ba băng với cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch Theo thiết kế, mơ hình cấu trúc lọc có hai cổng vào/ra phối hợp trở kháng 50 với giá trị giá trị L10 W0 12 Đoạn mạch LA=L1+L2+L3+L4+L5 cấu trúc cộng hưởng dây chêm ngắn mạch định tần số cộng hưởng băng thứ hai fo=2,4GHz Độ dài đoạn dây chêm ngắn mạch LB=L6 cấu trúc cộng hưởng dây chêm ngắn mạch định tần số cộng hưởng băng tần thứ fe1=1,8GHz Cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng bên ngồi L0=L7+L8+L9 tạo tần số cộng hưởng băng tần thứ ba fλ=3,5GHz hoàn toàn độc lập Bảng 3.1 Giá trị tham số vật lý lọc siêu cao tần ba băng với cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch Tham số L1 L2 L3 L4 L5 L6 Giá trị (mm) 11,46 5,1 10,2 5,16 3,7 Tham số L7 L8 L9 L10 W0 W1 Giá trị (mm) 9,9 16,5 23,4 6,5 1,78 Tham số W2 W3 S1 S2 S3 Giá trị (mm) 1,65 0,17 0,44 0,6 Đường kính ngắn mạch d=0,5mm, kích thước 27,28mm x 28,04mm Hình 3.2 Đặc tuyến tần số lọc ba băng đề xuất Bộ lọc siêu cao tần ba băng tần có thơng số kỹ thuật trình bày Bảng 3.2: 13 Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật lọc ba băng thiết kế Thông số kỹ thuật Tần số trung tâm (f0) Tổn hao chèn (IL) Tổn hao phản hồi (RL) Băng thông (BW) Băng thông hiệu dụng (FBW) Hệ số phẩm chất (Qe) Độ chọn lọc tần số (K) Đơn vị GHz dB dB MHz % f0/ f-3dB -3dB / -20dB Băng 1,8 2,18 14,54 100 5,56 18,00 0,48 Băng 2,4 2,52 31,07 100 4,17 24,00 0,46 Băng 3,5 2,77 25,36 135 3,86 25,92 0,35 3.2.2 Đánh giá Bộ lọc siêu cao tần với cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch tạo ba băng tần với tần số cộng hưởng trung tâm 1,8GHz, 2,4GHz 3,5GHz Các đặc tính kỹ thuật lọc phù hợp với tiêu chính, hệ số tổn hao chèn ba băng thông nhỏ 3dB, hệ số phản hồi băng tần thứ đạt so với tiêu thiết kế (14,54dB) băng thứ hai thứ ba tốt (31,07dB 25,36dB) Ưu điểm lọc có khả đơn giản độc lập thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng trung tâm ba băng tần Hạn chế cấu trúc đề xuất độ dài cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng bên ngồi phụ thuộc vào kích thước vật lý cấu trúc cộng hưởng dây chêm ngắn mạch bên trong, việc thay đổi độ dài khơng hồn tồn tùy ý ảnh hưởng đến việc phối ghép Ngoài cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng tạo hài ảnh hưởng đến giá trị tần số cộng hưởng cấu trúc cộng hưởng dây chêm ngắn mạch bên trong, trình thiết kế cần phải tránh ảnh hưởng 3.3 Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi 3.3.1 Thiết kế, mô Bộ lọc siêu cao tần ba băng thiết kế sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi với tần số cộng hưởng trung tâm 1,8GHz, 2,4GHz 3,5GHz Theo mơ hình thiết kế, lọc có hai cổng vào/ra phối hợp trở kháng 50 với giá trị giá trị L0 W0 Đoạn mạch cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi LA=L1+L2+L3+L4 định tần số cộng hưởng băng tần thứ hai fo=2,4GHz 14 Đoạn dây chêm ngắn mạch LB=L5 cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi sử dụng để lựa chọn tần số cộng hưởng băng thứ fe1=1,8GHz L0 Vào L1 L6 W0 W3 W2 L7 L2 L5 L3 W1 S1 L4 S2 Ra Hình 3.3 Mơ hình cấu trúc lọc ba băng với cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi Độ dài ½ vòng vng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi LC=L6+L7 định giá trị tần số cộng hưởng thứ ba fe2=3,5GHz Bảng 3.3 Giá trị tham số vật lý lọc siêu cao tần ba băng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) L1 10,3 L6 5,5 W2 L2 L7 8,3 W3 0,8 L3 8,5 L0 12 S1 0,19 L4 10,8 W0 1,78 S2 0,14 L5 W1 Đường kính đoạn ngắn mạch d=0,5mm, kích thước vật lý lọc 21,16mm x 18,20mm Các thông số kỹ thuật lọc: Bộ lọc siêu cao tần ba băng tần có thơng số kỹ thuật trình bày Bảng 3.4: Bảng 3.4 Các thông số kỹ thuật lọc ba băng thiết kế Thông số kỹ thuật Đơn vị Băng Băng Băng Tần số trung tâm (f0) GHz 1,8 2,4 3,5 Tổn hao chèn (IL) dB 1,54 1,16 1,92 Tổn hao phản hồi (RL) dB 26,31 28,58 31,56 Băng thông (BW) MHz 106 184 126 Băng thông hiệu dụng (FBW) % 5,89 7,67 3,6 Hệ số phẩm chất (Qe) f0/ f-3dB 16,98 13,04 27,78 Độ chọn lọc tần số (K) 0,36 0,40 0,27 -3dB / -20dB 15 Hình 3.4 Đặc tuyến tần số lọc ba băng đề xuất 3.3.2 Đánh giá So với lọc đề xuất Phần 3.3.1, lọc có tiêu đặc tính kỹ thuật tốt hơn, ba băng tần hệ số tổn hao chèn nhỏ 2dB, hệ số phản hồi lớn 25dB Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi có khả phát triển tiếp thành cấu trúc cộng hưởng cho lọc bốn băng 3.4 Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi 3.4.1 Thiết kế, mô Bộ lọc sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi với tần số 2,4GHz, 3,5GHz, 5,0GHz 5,6GHz S4 L9 L8 Vào L2 L6 L1 W2 L13 W3 L3 L1 L S1 L W0 Ra S L12 S W4 L11 L7 W1 W2 Hình 3.5 Mơ hình cấu trúc lọc bốn băng với cấu trúc cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi 16 Theo thiết kế, mơ hình cấu trúc lọc có hai cổng vào/ra phối hợp trở kháng 50 với giá trị L13 W0 Đoạn mạch LA=L1+L2+L3+L4+L5 cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi định giá trị tần số cộng hưởng băng thứ hai fo=3,5GHz Độ dài đoạn dây chêm ngắn mạch LB=L6 sử dụng để lựa chọn điều chỉnh giá trị tần số cộng hưởng băng tần thứ fe1=2,4GHz Độ dài ½ vòng vng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi LC=L11+2L12 định giá trị tần số cộng hưởng fe2=5GHz Cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng bên ngồi L0=L9+L10+L11+L12 định tần số cộng hưởng băng tần thứ tư fλ=5,6GHz Bảng 3.5 Giá trị tham số vật lý lọc siêu cao tần bốn băng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) L1 9,8 L9 12,1 W3 0,28 L2 5,5 L10 3,9 W4 L3 4,7 L11 3,05 S0 0,2 L4 6,5 L12 3,1 S1 0,15 L5 4,1 L13 7,3 S2 0,6 L6 3,3 W0 1,78 S3 0,5 L7 5,01 W1 1,2 L8 11,79 W2 0,5 Đường kính đoạn ngắn mạch d=0,5mm, kích thước vật lý lọc 18,56mm x 22,48mm Hình 3.6 Đặc tuyến tần số lọc bốn băng đề xuất 17 Bảng 3.6 Các thông số kỹ thuật lọc bốn băng thiết kế Thông số kỹ thuật Đơn vị Băng Băng Băng Băng Tần số trung tâm (f0) GHz 2,4 3,5 5,6 Tổn hao chèn (IL) dB 1,57 2,05 2,27 1,39 Tổn hao phản hồi (RL) dB 22,4 15,5 25,4 24,1 Băng thông (BW) MHz 101 100 170 400 Băng thông hiệu dụng (FBW) % 4,2 2,9 3,4 6,9 Hệ số phẩm chất (Qe) f0/ f-3dB 23,7 35 29,4 14,5 Độ chọn lọc tần số (K) 0,47 0,45 0,58 0,15 -3dB / -20dB 3.4.2 Đánh giá Bộ lọc siêu cao tần sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi tạo bốn băng tần độc lập với tần số cộng hưởng trung tâm 2,4GHz, 3,5GHz, 5GHz 5,6GHz Các tần số cộng hưởng trung tâm băng tần thiết lập điều chỉnh hoàn toàn độc lập Các tiêu kỹ thuật lọc đạt so với yêu cầu thiết kế, riêng băng tần thứ tư với tần số cộng hưởng trung tâm fλ rộng khó điều chỉnh Hạn chế cấu trúc việc điều chỉnh dải thông băng tần phức tạp, đặc biệt băng thứ tư ảnh hưởng việc ghép kết hợp hai cấu trúc cộng hưởng 3.5 Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm đoạn dây chêm ngắn mạch 3.5.1 Thiết kế, mô Bộ lọc thiết kế sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm đoạn dây chêm ngắn mạch có bốn tần số cộng hưởng trung tâm fe1, fo, fe2 fe3 Vào W0 S1 L8 L1 S0 W4 L2 L9 L6 W2 L7 L5 W1 S3 L3 L4 S2 Ra S4 W3 L10 L0 Hình 3.7 Mơ hình cấu trúc lọc bốn băng với cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm đoạn dây chêm ngắn mạch 18 Hai cổng vào/ra phối hợp trở kháng 50 với giá trị L10 W0 Đoạn mạch cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi LA=L1+L2+L3+L4 định tần số cộng hưởng băng hai fo=2,4GHz Khi tần số fo lựa chọn, độ dài đoạn dây chêm ngắn mạch LB cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi dùng để lựa chọn giá trị tần số cộng hưởng thứ fe1=1,8GHz Trong cấu trúc, giá trị độ dài L7 sử dụng để lựa chọn điều chỉnh tần số cộng hưởng fe1 Độ dài ½ vòng vng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi LC định giá trị tần số cộng hưởng thứ tư fe2=5GHz Theo thiết kế LC=L8+2L9, độ dài L9 sử dụng để lựa chọn điều chỉnh tần số fe2 Đoạn dây chêm hở mạch thêm vào có độ dài LD=L5+ L6 định giá trị tần số cộng hưởng thứ ba fe3=3,5GHz Độ dài L5 sử dụng để điều chỉnh tần số fe3 Các tham số W0, W1, W2, W3 W4 sử dụng để điều chỉnh trở kháng đặc tính đoạn mạch Các tham số S0, S1, S2, S3 S4 hệ số ghép điện dung cấu trúc, sử dụng để điều chỉnh đặc tính băng tần lọc thiết kế Với phương án thiết kế vậy, việc thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng trung tâm ba băng tần đơn giản độc lập Bảng 3.7 Giá trị tham số vật lý lọc siêu cao tần bốn băng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm đoạn dây chêm ngắn mạch Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) L0 8,5 L7 2,3 W3 0,45 L1 13,2 L8 2,1 W4 L2 L9 3,6 S0 0,17 L3 8,5 L10 10,1 S1 0,17 L4 10,7 W0 1,78 S2 0,14 L5 6,3 W1 S3 1,8 L6 5,1 W2 0,75 S4 1,5 Đường kính đoạn ngắn mạch có giá trị d=0,5mm, kích thước vật lý lọc 18,56mm x 22,48mm Bộ lọc siêu cao tần bốn băng tần có thơng số kỹ thuật trình bày Bảng 3.8: 19 Bảng 3.8 Các thông số kỹ thuật lọc bốn băng thiết kế Thông số kỹ thuật Đơn vị Băng Băng Băng Băng Tần số trung tâm (f0) GHz 1,8 2,4 3,5 Tổn hao chèn (IL) dB 1,39 1,07 1,71 2,96 Tổn hao phản hồi (RL) dB 30,34 23,75 21,70 27,67 Băng thông (BW) MHz 109 168 120 120 Băng thông hiệu dụng (FBW) % 6,06 7,00 3,43 2,40 Hệ số phẩm chất (Qe) f0/ f-3dB 16,51 14,28 29,17 41,67 Độ chọn lọc tần số (K) 0,29 0,31 0,28 0,22 -3dB / -20dB Hình 3.8 Đặc tuyến tần số lọc bốn băng đề xuất 3.5.2 Đánh giá Bộ lọc siêu cao tần với cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm đoạn dây chêm ngắn mạch tạo bốn băng tần với tần số cộng hưởng trung tâm 1,8GHz, 2,4GHz, 3,5GHz 5GHz Các tần số cộng hưởng trung tâm băng tần thiết lập điều chỉnh hồn tồn độc lập Các tiêu kỹ thuật lọc vượt trội vượt trội so với yêu cầu thiết kế Cả bốn băng tần lọc có giá trị tuyệt đối hệ số tổn hao chèn nhỏ 2dB, hệ số phản hồi lớn 20dB Hệ số chế áp dải lớn 30dB 3.6 So sánh, đánh giá sản phẩm chế tạo Bốn mơ hình cấu trúc cộng hưởng sử dụng thiết kế lọc siêu cao tần đa băng chế tạo thành sản phẩm thực tế để so sánh, đánh giá kiểm tra kết nghiên cứu tính tốn 20 3.6.1 Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch Hình 3.9 Sản phẩm chế tạo giá trị /S21/ 3.6.2 Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi Hình 3.10 Sản phẩm chế tạo giá trị /S21/ 3.6.3 Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi Hình 3.11 Sản phẩm chế tạo giá trị /S21/ 21 3.6.4 Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm đoạn dây chêm ngắn mạch Hình 3.12 Sản phẩm chế tạo giá trị /S21/ 3.7 So sánh, đánh giá cấu trúc cộng hưởng đề xuất Bảng 3.9 Tổng hợp so sánh, đánh giá cấu trúc cộng hưởng đề xuất TT Cấu trúc cộng hưởng Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi Đặc điểm - Bộ lọc thiết kế có ba tần số cộng hưởng trung tâm ba băng tần thiết lập điều chỉnh độc lập - Điều chỉnh đặc tính dải thơng thơng qua hệ số ghép hai cấu trúc cộng hưởng ghép nghiêng 0o - Cấu trúc kết hợp ghép hai cấu trúc cộng hưởng nên phải phụ thuộc kích thước vật lý khoảng định - Do cấu trúc bên ngồi cộng hưởng ½ bước sóng nên xuất nhiều hài ảnh hưởng đến đặc tính tần số lọc - Bộ lọc thiết kế có ba tần số cộng hưởng trung tâm ba băng tần thiết lập điều chỉnh độc lập - Điều chỉnh đặc tính dải thông thông qua ghép nghiêng 0o - Cấu trúc cộng hưởng phát triển tiếp cho lọc bốn băng - Bộ lọc thiết kế có bốn tần số cộng hưởng trung tâm bốn băng tần thiết lập điều chỉnh độc lập - Điều chỉnh đặc tính dải thơng thơng qua hệ số ghép hai cấu trúc cộng hưởng ghép nghiêng 0o - Cấu trúc kết hợp ghép hai cấu trúc cộng hưởng nên phải phụ thuộc kích thước vật lý khoảng định - Do cấu trúc bên ngồi cộng hưởng ½ bước sóng nên xuất nhiều hài ảnh hưởng đến đặc tính tần số lọc đa băng Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc cộng - Bộ lọc thiết kế có bốn tần số cộng hưởng trung tâm bốn hưởng chữ thập băng tần thiết lập điều chỉnh độc lập biến đổi thêm - Điều chỉnh đặc tính dải thơng thông qua ghép nghiêng 0o đoạn dây chêm ngắn mạch 22 3.8 Giải pháp thực thiết kế, chế tạo lọc siêu cao tần đa băng có khả thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng độc lập Kết nghiên cứu luận án đề xuất bốn cấu trúc cộng hưởng sử dụng thiết kế, chế tạo lọc siêu cao tần đa băng Hai cấu trúc cộng hưởng sử dụng cho lọc siêu cao tần ba băng, hai cấu trúc cộng hưởng sử dụng cho lọc siêu cao tần bốn băng Qua q trình thiết kế, mơ phỏng, chế tạo đánh giá lọc siêu cao tần đa băng với cấu trúc cộng hưởng đề xuất, giải pháp thực tổng hợp thành quy trình thiết kế, chế tạo cấu trúc cộng hưởng 3.9 Kết luận Chương Chương trình bày kết thiết kế, mơ đánh giá bốn lọc siêu cao tần đa băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng Các kết nghiên cứu chế tạo thực tế để kiểm tra, so sánh Ưu điểm bật lọc đề xuất có khả đơn giản độc lập việc thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng băng tần Hạn chế tồn kích thước lọc thiết kế lớn, tiêu kỹ thuật lọc chưa phải tốt (Hệ số tổn hao chèn, hệ số tổn hao phản hồi, hệ số phẩm chất ngoài) 23 KẾT LUẬN Về kết nghiên cứu Luận án trình bày kết nghiên cứu, thiết kế cấu trúc cộng hưởng kết cấu mạch dải không đối xứng, sử dụng để thiết kế, chế tạo lọc siêu cao tần có nhiều băng Bốn cấu trúc cộng hưởng sử dụng thiết kế lọc siêu cao tần đề xuất nội dung luận án (hai cấu trúc cho lọc ba băng, hai cấu trúc cho lọc bốn băng) Sử dụng cấu trúc cộng hưởng thiết kế lọc siêu cao tần đa băng đem lại ưu điểm bật khả đơn giản độc lập thiết lập, điều chỉnh tần số cộng hưởng trung tâm băng tần Các cấu trúc đề xuất nghiên cứu từ lý thuyết bản, tính tốn, mơ để kiểm chứng đánh giá kết Các kết nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thành sản phẩm thực tế để kiểm tra so sánh Kết nghiên cứu luận án có tính mới, tính khoa học có nhu cầu cần thiết thực tiễn Về đóng góp luận án Luận án nghiên cứu sinh có đóng góp khoa học bao gồm: (1) Đề xuất giải pháp thiết kế, chế tạo lọc siêu cao tần nhiều băng có khả đơn giản độc lập việc thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng băng tần (2) Đề xuất bốn cấu trúc cộng hưởng có khả đơn giản độc lập việc thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng băng tần (Cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng nửa bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch cho lọc ba băng; cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi cho lọc ba băng; cấu trúc kết hợp cộng hưởng nửa bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi cho lọc bốn băng; cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm đoạn dây chêm hở mạch cho lọc bốn băng) 24 Một số kiến nghị hướng ứng dụng, nghiên cứu tiếp Trên sở kết đóng góp luận án, hướng ứng dụng, phát triển nghiên cứu có số đề xuất sau:  Sử dụng mơ hình tốn học (như Butterworth, Chebyshew, Cauer, ) để nghiên cứu, đề xuất phương pháp thiết kế, tính tốn đặc tính tần số dải thơng lọc siêu cao tần đa băng  Đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng chọn lọc tần số cho lọc siêu cao tần đa băng 25 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ [1] Nguyen Tran Quang, Doan Minh Tan, Ta Chi Hieu, “Design of ultrawideband bandpass filters with narrow notched bands using a ring resonator” , Chuyên san Công nghệ thông tin truyền thông, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 4, trang 96-109, tháng 4/2014 [2] Nguyễn Trần Quang, Đoàn Minh Tân, Vũ Hoàng Gia, “Compact Microstrip Ultra-wideband Bandpass Filters with Narrow Notched Band Based on a Ring Resonator”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ Quân sự, Đặc san TĐH, Viện Khoa học Công nghệ Quân sự, trang 137-145, tháng 4/2014 [3] MinhTan Doan, TranQuang Nguyen, T.HongTham Tran, DucUyen Nguyen, “A method to design tri-band bandpass filter for WLAN and WiMAX applications”, Kỷ yếu Hội thảo quốc tế Việt-Nhật anten truyền sóng, trang 257-260, tháng 01/2014 [4] MinhTan Doan, TranQuang Nguyen, HaiNam Le, “Miniaturized tri-band bandpass filter using modified triple-mode resonators with multiple transmission zeros”, Kỷ yếu Hội thảo công nghệ viễn thông quốc tế ATC 2013, trang 697-699, tháng 10/2013 [5] TranQuang Nguyen, MinhTan Doan, HieuChi Ta, “Tri-band Bandpass Filter Using Two Short Stubs and An Open Stub Loaded Resonator ”, Kỷ yếu Hội thảo công nghệ viễn thông quốc tế ATC 2013, trang 492-495, tháng 10/2013 [6] VanDo Phuong, DucUyen Nguyen, TranQuang Nguyen, MinhTan Doan, “Quad-band bandpass filter using square ring cross stub loaded resonators”, Kỷ yếu Hội thảo công nghệ viễn thông quốc tế ATC 2016, trang 468-471, tháng 10/2016 [7] Nguyễn Trần Quang, Bùi Ngọc Mỹ, “Bộ lọc bốn băng thông mạch dải kích thước nhỏ sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi kết hợp với cộng hưởng ½ bước sóng”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ Quân sự, Viện KHCNQS, số 47, 02/2017 [8] Nguyễn Trần Quang, Bùi Ngọc Mỹ, “Microstrip quad-band bandpass filter using a modified cross and an open stub resonator”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ Quân sự, Viện KHCNQS, số 48, 4/2017 ... TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG 1.1 Tổng quan lọc siêu cao tần đa băng 1.1.1 Giới thiệu chung lọc siêu cao tần đa băng Trong hệ thống thông tin vơ tuyến, lọc tần số đóng... trúc cộng hưởng đa chế độ có khả đơn giản độc lập thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng băng tần sử dụng thiết kế, chế tạo lọc siêu cao tần đa băng 1.4 Tiêu chí chung lọc siêu cao tần đa băng. .. chế tạo lọc siêu cao tần đa băng có khả thiết lập điều chỉnh tần số cộng hưởng độc lập Kết nghiên cứu luận án đề xuất bốn cấu trúc cộng hưởng sử dụng thiết kế, chế tạo lọc siêu cao tần đa băng Hai